關於「絕對零度」的思考與教學|教研分享系列281

姚鐸俟教育 發佈 2022-05-23T23:06:00.520020+00:00

​ ​一、討論緣起​ 在教學交流討論時,一位同事談到了絕對零度的發現問題。他(她)諮詢我說: 我們都知道,溫度有兩種測量標度,一是攝氏溫標,一是開爾文溫標。(號主註:事實上,有三種溫標,還有一種是華氏溫標。千年後新課程改革響應「減負」號召,刪去了華氏溫標。


​一、討論緣起


在教學交流討論時,一位同事談到了絕對零度的發現問題。他(她)諮詢我說:


我們都知道,溫度有兩種測量標度,一是攝氏溫標,一是開爾文溫標。(號主註:事實上,有三種溫標,還有一種是華氏溫標。千年後新課程改革響應「減負」號召,刪去了華氏溫標。)這兩種溫標的提出應該有先後順序的,先有攝氏溫標,再有開爾文溫標,開爾文溫標應該是氣體實驗定律發現後提出的,對嗎?就是理想氣體狀態圖像中等容線的反向延長線的溫度坐標截距?




(04版人教版教材,即老教材)



(19版人教版教材,即新教材)


這位老師指著教材中的圖諮詢。說實話,同事教學交流,除了公開課評課外,幾乎不交流,偶爾交流一下,一般也是考試後的試題交流。所以,這次的交流,號主心中特別高興,有一種尋覓到「教學知音」的感覺。


號主說,「你的'發現'應該是對的,至少我是這樣認為的,我也是這樣教學的。前一章講兩種溫標的關係時,我就安排了一個作業任務:兩種溫標的互換關係式中的—273.15是科學家憑空想像的嗎?或者說開爾文(科學家代表)是造物主的化身,他憑直覺就得到了嗎?答案是否定的。希望通過後續學習,同學們自己能夠發現這個秘密。」


那麼,教材關於「絕對零度」內容編寫得如何?關於「絕對零度」,可以怎樣教學?通過「絕對零度」教學載體可以達成怎樣的教學目標呢?


​二、教材分析


新、老教材對照來看,氣體實驗定律教學內容幾乎沒有什麼變化。然而,正如前述兩幅截圖可知,19版教材有所改進,主要體現在兩點:


改進1:圖題由「氣體等容變化的圖像」修改為「氣體等容變化的p—T圖像」。圖題有了明確的指向——指向p—T圖像。


改進2:為了更好地落實教學任務指向,增加了一副「過度」圖像,體現了思維進階性,尊重了學生的認知規律,降低了教學難度,增強了教學效果。


其中,關於「絕對零度」,老教材是這樣寫的:「可以證明,當氣體的壓強不太大,溫度不太低時,坐標原點代表的溫度就是熱力學溫度的零度。」新教材是這樣寫的:「可以證明,當氣體的壓強不太大,溫度不太低時,圖2.3—2中的丙圖中坐標原點代表的溫度就是熱力學溫度的0K,也稱為絕對零度。」


號主疑惑:絕對零度是「證明」出來的嗎?號主認為,不是「證明」出來的,而是「覺察」出來的,是「發現」的。


號主認為,教材僅僅從降低教學難度或考試難度的視角進行內容編寫的,即對實驗定律表述由更為複雜的表述變為更為簡單的表述——由攝氏溫標下的一次函數關係,變為開爾文溫標下的正比例函數關係。教材編寫人員的「良苦用心」是令人敬佩的,「引領教學」的目標理念也是值得稱讚的。但是,無法體現了「絕對零度」的教學價值,未能落實「科學態度與責任」素養教學,也難以體現物理史學價值和物理文化價值。


​三、教學優化


物理學習不僅僅為了學習知識(例如查理定律),亦不僅僅為了會運用知識解決簡答的物理題,而是要體驗科學家的科學探索過程,享受學科學習中的智趣(如同電子遊戲一樣的智力「闖關」遊戲)。


例如,當我們學習兩種溫標時,可以提出這樣的問題:兩種溫標的提出是獨立的嗎?如果是獨立的,為什麼零點溫度不一樣,而1℃和1K變化值卻又如此巧合的一致?如果兩種溫標的提出不是完全獨立的,兩者又具有怎樣的關係?兩者關係是如何提出的?


不少學生有的時候脫口而出——發出這樣的抱怨:「真希望這些個科學家都沒有出生過就好了,他們的出身讓我們學習得太累了。」


我們的教材,也包括我們教學,存在一種不良傾向,那就是無形中要求學生記憶知識,運用知識去解決無聊的題目。例如記住兩種溫標以及兩種溫標之間的函數關係,在解題時能夠運用關係互換不同溫標的計算結果,這是多麼的無聊啊!


有人說,人們天生就喜歡玩電子遊戲,但如果有「教育者」要求玩遊戲時記憶遊戲規則,而且是採用死記的方式;另外,為了所謂的「鞏固」遊戲規則,要求機械地玩低挑戰甚至毫無挑戰的低闖關遊戲,而且在低闖關遊戲時,要求連續玩二十次,一次闖關失敗就要繼續低闖關遊戲四十次,再失敗就八十次。總之,通過玩電子遊戲去折磨人,我想不需要多長時間,所有人都會討厭電子遊戲的。


號主經常鼓勵學生閱讀教材,在閱讀教材時自我提出問題,並在閱讀中自我解決問題。也就是說,在閱讀教材時自我提出闖關遊戲,並在閱讀中完成闖關遊戲,甚至創造性地完成闖關遊戲。


當然,號主在教學時也經常會提出一些「難關」,激勵學生去「闖關」。例如學習兩種溫標時,就提出「非常規物理題」作為難關,寄希望學生完成闖關遊戲。


相信會預習的、對教師提出的難關遊戲感興趣的同學,很容易完成闖關。到了關口處,他闖關時是否發揮了創造性思維去闖關呢?這時,老師提出自己的闖關設想:


相信科學家們僅僅通過一次等壓變化物理實驗探究,是不可能發現「絕對零度」這個東西的,更不可能總結出熱力學溫標。科學家跟普通人一樣,對熟悉的攝氏溫標是會形成思維定勢的。只有通過大量的氣體實驗研究,不僅僅做了大量的等壓變化實驗,而且做了大量的等容變化實驗,發現實驗數據都有某種共性,即一次函數圖線都匯聚一個點(從一個點發射出來),這樣的共性而又奇特的「點」才會引起科學家的好奇。


(此圖來自網絡)


另外,還可以與學生談談自己的看法,提出開爾文0K可能是容易的,那麼為什麼科學家把這個零度稱之為「絕對零度」呢?就等壓變化進行極限推理,如果溫度達到開爾文0k,那麼氣體體積為零,而這是絕不可能的,因為氣體分子總有大小。可見0K是不可能達到的,由此而提出了絕對零度概念。


絕對零度是不是非常的奇特?不少科學家在這個奇特的絕對零度的引領下開展科學探索,獲得了很多很多開創性科學發現。號主想,如果教師能夠整理出一些物理史料,並編撰出科學家的故事出來,那麼學生一定會非常感興趣的。

​四、延伸討論


年輕教師在年輕的時候,如果被「末位淘汰」的壓力驅使下或在「升學成績排名第一」的功利性激勵引領中開展無休止的應試教學,那麼就很難享受到快樂的課堂。如此教學工作到一段時間,特別是到力不從心之時,極容易產生厭教感,所謂的教師職業倦怠感,基本上都是這樣產生的。


李鎮西老師談讀書時,提到讀書的兩個竅門,一是共鳴,二是質疑。他是教語文的,號主認為理科學習同樣可以運用這兩個竅門。號主常跟學生說,常讀教材,每讀一遍,都要有新的感受,有「常讀常新」之感,那麼教材就讀出味道來了。怎樣才能體驗到「常讀常新」呢?那就是讀出共鳴,讀出質疑,在共鳴時會心一笑,在質疑處尋找思維挑戰的樂趣。


讀書是有趣的,教書同樣是有趣的。


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